双传输零点LTCC带通滤波器的设计*

2018-09-03张仕顺许林青赵建平

通信技术 2018年8期

张仕顺，许林青，杨君，徐娟，赵建平

（曲阜师范大学，山东曲阜 273165）

0 引言

随着无线通信与微波技术的发展，无源器件的性能不断提高，同时朝着小型化、高集成化的趋势发展。滤波器是一个二端口网络，主要是可以对信号中特定的频段或该频段以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频段电源信号或消除一个特定频段的电源信号[1]，在通信过程中至关重要。因此，人们对微波滤波器得设计提出了更高要求。在众多设计技术中，低温共烧陶瓷（Low-Temperature Cofired Ceramic，LTCC）以其易于小型化、设计灵活等优势，越来越受到重视。在烧制电路基板时，可将无源器件埋入其中，提高基板的集成度，省去封装的步骤，降低成本。基于LTCC技术设计的微波滤波器，兼顾性能的同时实现了小型化。此外，基于LTCC技术还可以在不改变尺寸的条件下引入传输零点增强带外抑制和带内选择性，因此成为电子行业的首选[2]。

1 LTCC带通滤波器

与传统滤波器相比，本文采用三层带状线结构作为谐振回路，使滤波器更易小型化[3]。图1为LTCC三级带通滤波器的一般形式，上下为屏蔽层（上层隐藏），中间为带状线，信号通过带状线进行耦合传输。

图1 LTCC滤波器模型

本文设计的滤波器技术指标如下：中心频率为2 GHz，相对带宽约16%，带内损耗小于5 dB，回波损耗大于15 dB。最终，滤波器的尺寸为2.53 mm×2.85 mm×1.33 mm。

图2是带通滤波器的等效电路图。其中，第一与第三个谐振回路对称。右侧带状线为谐振回路在HFSS下的等效模型图。带状线的尺寸如下：L=2.35 mm，W=0.26 mm，h=0.045 mm。第二个谐振回路的尺寸为L=2.45 mm，W=0.26 mm，h=0.045 mm。基板的厚度均为0.01 mm。

图2 滤波器等效电路

图3 是滤波器的一个仿真结果。可以看出，回波损耗小于-20 dB，满足传输的一般要求。但是，从插入损耗来看，滤波器的带内选择性与带外截止性能较差。

图3 仿真结果

2 LTCC带通滤波器传输零点技术

由图3的仿真结果可以看出，该滤波器带外截止性能较差。此时，在不改变滤波器尺寸的情况下，通过引入传输零点，可以在保持性能前提下，增强滤波器的带外截止性能。通常情况下，传输零点通过开路和短路两种极端情况形成能量的阻隔而形成传输零点[4]。如图4所示，传输零点的引入一般使用两种方式，一种是非相邻的级间耦合产生传输零点，另一种是通过改变谐振回路结构引入传输零点[5]。

图4 两种特殊情况

3 交叉耦合LTCC滤波器

交叉耦合是指非相邻谐振级进行耦合，从而产生传输零点。从相位变化上分析，信号经过多条支路叠加在一起，相位在某一频率处满足一定关系从而相互抵消，产生传输零点[5]。

图5是一个简单的交叉耦合变化图，可看出交叉耦合分为容性耦合和感性耦合。信号从1到3经过两条支路。由于信号在不同支路产生的相移特性相反，最后在3端口相互叠加而产生传输零点。

图5 交叉耦合相位变化相位

基于上述理论，谐振回路交叉耦合通过采用Z字型结构和H字型结构[6-7]使得非相邻谐振回路产生耦合而产生传输零点。

3.1 Z字型结构分析

图6是Z字型结构的相位关系图，图7是Z字型结构等效电路。可以观测出，Z字型结构在16.6 GHz处产生相位反转，因此得出它的等效电路图如图6所示。通过加入Z字型结构，使得滤波器在第一和第三谐振级产生交叉耦合，由此在低阻带插入传输零点有效抑制能量的传输。该Z字型结构尺寸为b=2.26 mm，c=0.21 mm，d=1.375 mm，e=0.69mm。

图6 Z字型结构的相位变化

图7 Z字型结构的等效电路

3.2 H字型结构分析

图8 是H字型结构的相位关系图，图9是H字型结构等效电路。可以观测出，H字型结构在12.3 GHz处产生相位反转，因此得出它的等效电路图如图9所示。通过加入H字型结构，使得信号传输多增加了一条路径，由此在高阻带插入传输零点有效抑制能量的传输。该H字形的尺寸为A=0.21 mm，B=0.955 mm，C=2.05 mm。